Hallo zusammen,

Für Wasserraketen gibt es bisher leider nur Simulatoren die einstrahlige Wasserraketen simulieren. Zumindest konnte ich noch keinen mehrstrahl-Simulator finden. Ich habe auch bisher keinen vernünftigen weg gefunden meine 3-Strahl Rakete zu simulieren.
Also ist es höchste Zeit einen Mehrstrahl-Wasserraketensimulator zu schreiben. Meine Idee war, zuerst einen gewöhnliche Einstrahl-Simulator zu schreiben und diesen später auf 3-Strahl(bzw.Mehrstrahl) -Wasserraketensimulation zu erweitern.
Also erstmal googeln. Leider findet man nicht allzu viel Material (auch Google Scholar bringt auch nichts...).
Die ausführlichste Quelle die ich fand ist Dean's Benchtop. Unter Thrust Eqns. findet man ein PDF in dem er (Dean Wheeler) versucht zu erklären wie man die Schubphase einer Wasserrakete simulieren kann. Leider verwendet er ziemlich hohe Mathematik. Auch ansonsten ist mir das alles nicht so sympathisch, da er teilweise Dinge miteinrechnet, die ich auf jeden Fall vernachlässigen würde. Auch ist mir auch nach mehrmaligem durchlesen nicht klar welche Gleichungen letztendlich zu einem Ergebnis führen sollen.
Eine andere Quelle ist das hier: Klick mich!
Leider ist die Erklärung nicht fertig geschrieben worden, bringt also auch nicht allzu viel.
Ich habe noch ein Pdf irgendwo ausgegraben, aber das hilft auch nicht weiter.
Falls einer von euch Lust und Laune hat das Dokument von Dean zu erklären, oder irgendwie anders weiter zu helfen, immer gern.
Also, weil ich so nicht weitergekommen bin, musste ein anderer Weg her.
Ich erkläre ihn jetzt hier einmal, aber er ist wohl nicht richtig. Die Frage ist wo.
Also, die erste Annahme ist, dass das Wasser, das ausgestossen wird nur in der Düse beschleunigt wird.
somit:
a=F/m =p*A/s*A*rho= p/rho*s
s ist die länge der Düse (A ist der Querschnitt der Düse).
Die Zeit die benötigt wird, damit ein "Düsenvolumen" die Düse durchflossen hat:
t=Wurzel(2s/a)
ein wenig einsetzen un es ergibt sich:
t=s*Wurzel(2rho/p).
Bekannlicherweise gilt ja bei Raketen die Impulserhaltung. Deshalb:
md*u=vr*mges
wobei dann md die Masse des Wassers in der Düse, u die Austrittsgeschwindigkeit, mges die Gesamtmasse der Rakete und vr die (gesuchte) Geschwindigkeit der Rakete ist.
u lässt sich einfach mit a*t berechnen. Wenn man noch ein wenig umfomt ergibt sich dann
vr=md*u/mges.
Natürlich muss man dann auch noch berechnen um wieviel der Druck gesunken ist, dadurch ändert sich ja dann auch wieder die beschleunigung und und...

Bei dieser "Simulation" wird das Wasser also nur "Portionsweise" ausgestossen. Dadurch kann man dann die Geschwindigkeitsänderung der Rakete berechnen. Hoffe es ist klar geworden wie's funktionieren soll.

So schön und gut. Aber die Ergebnisse Stimmen vorne und hinten nicht mit den Ergebnissen meines bisher benutzten Simulators überein. Die Rakete ist nach 0,2 statt nach 0,6 sekunden leer und ist noch viel zu langsam. Ausserdem ist die maximale austrittschgeschwindigkeit 12 m/s statt um die 40 m/s.
Liegt der Fehler in der Annahme dass das Wasser nur in der Düse beschleunigt wird?

Noch ein kurzer Ausblick:
Vielleicht werde ich Dean Wheeler und Clifford Heath anschreiben, ob sie bei diesem Problem helfen können...
Eine weitere Möglichkeit wäre, die Booster und den Haupttank einzeln zu simulieren, die Schubkurven in SpaceCad als "Treibsätze" zu importieren und in SpaceCad die Rakete dann zu simulieren..
Aber vielleicht kann ja auch einer von euch helfen dieses Problem zu lösen....

Viel Grüße, bastler

Geändert von bastler am 16. November 2005 um 22:31

Moin!

Boah, da hast du dich an etwas herangewagt, mein allergrößter Respekt!
Also ich hab mich an dieses Thema noch nicht herangewagt.
Ich kann dir da auch nicht viel weiterhelfen.
Aber ein Kontakt mit Dean Wheeler oder Clifford Heath würde dir da sicher was bringen.

Könnte man vieleicht eine Art Umrechnungstabelle konstruieren, die aus einer
mehrstrahligen eine einstrahlige macht, die man dann in den Simulator eingeben kann?

Sehr interessantes Thema!

Gruß Robert

Hi Bastler,

in einer Düse mit konstanten Querschnitt wird das Wasser (die meiste Zeit) nicht beschleunigt, weil das Wasser ja nicht kompressibel ist. Beschleunigt wird es nur in den Sekundenbruchteilen, die das "Triebwerk" braucht um Schub aufzubauen. Danach stellt sich aber ein Gleichgewicht zw. dem Druck in der Rakete einerseits und dem Strömungswiderstand der Düse andererseits ein. Auch bei konstantem (=unbeschleunigtem) Durchfluss erzeugt die Wara Schub.

Was die Schubkraft betrifft, müsste das in etwa so aussehen:

F=dp/dt=v*dm/dt=v*rho*dV/dt=v*rho*v*A=v^2*rho*A

p...Impuls


Wie groß jetzt aber deine Austrittsgeschwindigkeit v ist, hängt von Strömungswiderstand und dem Druck in der Flasche ab.

Wenn die Schubkraft aber größer wird, als im statischen Fall, also ohne Ausströmung:

F=p*A

p...Druck (Formelzeichen leider doppelt belegt)

weißt du aber dass du irgend etwas falsch gemacht hast, weil dazu der Strömungswiderstand in der Düse kleiner als Null sein müsste.


Gruß
Reinhard

Hi Reinhard,

ich weiß nicht, irgendwas hab ich nicht verstanden. Wieso wird das Wasser nur in der Zeit beschleunigt, in der das Triebwerk Schub aufbaut? Das Wasser in der Rakete ist doch in etwa gleich schnell wie die Rakete, oder? Und aus der Düse kommt es mit einer höheren Geschwindigkeit heraus als die Rakete selbst hat (mal von der Richtung abgesehen). Irgendwo muss doch diese Geschwindigkeit "erzeugt" werden? Oder hab ich da was falsch verstanden?
Ist F=p*A für diesen Fall nicht gültig?
Ich weiß nicht ob das in meinem ersten Beitrag klar geworden ist, ich zerstückele die Schubphase in kleine Portionen Wasser, die dem Volumen der Düse entsprechen (weil ich annehme dass die Portion dort beschleunigt wird). Danach wird der Impuls dieser Protion mit den o.g. Formeln berechnet und daraus die Geschwindigkeit der Rakete. Natürlich sind die "Portionen" insgesamt nicht mehr als das Füllvolumen der Rakete.

Gruß bastler

@ bastler:

Die Problematik ist folgende: In einer Düse, die am Anfang und am Ende
den gleichen Durchmesser hat, kann Wasser nicht beschleunigt werden (wegen der
Inkompressibilität).
Die Geschwindigkeit des Wassers an der Stelle 1 muss genauso groß sein wie an der
Stelle 2.
Anders sieht es bei Düsen mit kleiner werdenden Durchmesser oder Rohrverengungen aus.
In so einer Düse wird das Wasser von der Stelle 3 zur stelle 4 beschleunigt. Insofern kannst
du deinen Ansatz nicht verwenden.



Gruß Robert

Hmmm.Ich weiß nicht so recht. Das würde ja bedeuten dass das Wasser vor der Düse auf Austrittsgeschwindigkeit beschleunigt wird....
Ich stelle mir das so vor:
Das Wasser ist aus lauter kleinen Klötzchen/Portionen. Eine Protion füllt die Düse komplett und alles darüber, in der Rakete ist voll mit "Klötzchen" und Luft. Auf das Klötzchen in der Düse wirken doch die 8bar*Querschnitt als beschleunigende Kraft solange bis es die Düse verlassen hat. Also wird es doch dort beschleunigt.
Vielleicht bin ich auch einfach zu blöd...
ICh habe auch inzwischen Clifford Heath angemailt.
Ausserdem habe ich die Booster-Schubkurve und die Schubkurve des Haupttanks meiner 3-Strahl-Rakete in SpaceCad als Treibsätze importiert. Etwas aufwendig, aber machbar. Die Ergebnisse muss ich noch mit den Flugvideos vergleichen, dann weiß ich ob diese Methode brauchbar ist.
Dann könnte man ja ein kleines Programm schreiben, das die Ergebnisse vom Simulator ausliest (ich hab da mal einen runtergeladen, bei dem man die Ergebnnisse speichern kann)und in die Treibsatzdatenbank von SpaceCad automatisch importiert. Wäre wohl die einfachste Möglichkeit, oder?

Vielleicht kann ja auch TR260 mal seine Formeln hier reinstellen, er hat ja wohl seine 5-Strahl Rakete durchgerechnet...

Grüße bastler

Geändert von bastler am 17. November 2005 um 18:14

So, jetzt habe ich noch ein Beispiel, dass man Wasser auch in einem Rohr Beschleunigen kann.
Ganz einfach. In einer Wasserleitung steht das Wasser ja solange, bis ein Wasserhahn geöffnet wird. Sobald dieser geöffnet ist, fließt das Wasser in der Leitung, es hat also Geschwindigkeit. Und da es vorher in Ruhe war, muss es Beschleunigt worden sein.
Oder etwa nicht?

Habe gestern ein kleines Programm fast fertig geschrieben, mit dem man die Schubkurve einer Wasserrakete in SpaceCad als Treibsatz importieren kann. Hängt nur noch an Kleinigkeiten. Werde es so früh wie möglich hier rein stellen.


Gruß bastler

Geändert von bastler am 18. November 2005 um 18:08

Dein Beispiel mit der Waserleitung ist richtig bei folgender Betrachtung:
Das Wasser steht zunächst im Rohr. Wenn der Hahn geöffnet wird, wird das Wasser
beschleunigt, allerdings alle Wasserteilchen zur gleichen Zeit .
Also bei geschlossenem Hahn sind alle Wasserteilchen in Ruhe, sowohl am Anfang als
auch am Ende des Schlauches. Wenn der Hahn geöffnet wird, werden alle Wasserteilchen
gleichmässig und zur gleichen Zeit beschleunigt. D.h. zu jedem Zeitpunkt haben
alle Wasserteilchen die gleiche Geschwindigkeit untereinander. Es gibt keinen Geschwindig-
keitsunterschied zwischen den Teilchen. Wäre es so, würde sich im Schlauch ein
unendlich hoher Druck oder ein Vakuum ausbilden (da Wasser nicht kompressibel ist).

Ein anderes Beispiel um das anschaulicher zu machen:
Stelle dir eine lange Straße vor. Auf der Straße fahren, sagen wir mal, 10 Autos. Jedes Auto
schleppt das hinter ihm fahrende ab, alle Autos sind also durch Abschleppseile verbunden.
Was würde passieren, wenn das vordere Auto beschleunigt und das hintere Auto mit gleich-
bleibender Geschwindigkeit weiterfährt? Das Seil würde reissen und der Abstand zwischen den
Autos würde sich vergrößern.
Wenn sich der Abstand von Wasserteilchen zueinander aber vergrößert, wird ein Vakuum entstehen.
Dass ist aber in einer WaRadüse ja nicht der Fall.

Genauso ist´s wenn das hintere Auto beschleunigt und das vordere Auto mit gleichbleibender
Geschwindigkeit weiterfährt: Auffahrunfall.

Ist´s deutlich geworden?

Gruß Robert

Geändert von robby2001 am 18. November 2005 um 20:14

Ja, das Beispiel mit den Autos hat das sehr schön anschaulich gemacht.
Ich denke aber dass da ein grundsätzliches Missverständnis vorliegt, oder?
Ich gehe bei meinem Simulator davon aus, dass eine Wasserfüllung der Düse in der Düse beschleunigt wird und dann erst die nächste kommt. Dieser Wasserpropfen sehe ich als ein Stück. Man könnte sozusagen auch Autos nehmen.
Und da sind wir auch schon beim Fehler meines Simulators. Meine Autos schleppen sich nicht gegenseitig ab. Sie fahren alle nacheinander los. Klar was ich meine?
Damit ergibt sich natürlich was anderes wie wenn sich die Autos gegenseitig Abschleppen.
Eine dritte Meinung wäre auch nicht schlecht!
Aber die Sache ist von mir aus sowieso vom Tisch, weil:
1. stimmt vorne und hinten nicht was rauskommt, auch nicht näherungsweise (was ich erhoffte)
2. ist es viel einfacher die Schubkurve einer Wara ind SpaceCad zu importieren (das nützt ja nicht nur denen, die 3-strahl-Raketen bauen wollen.).

Gruß bastler

Ja, in der Tat. Ich glaube, dass das worüber wir in den letzten Beiträgen geschrieben haben,
nicht das wesentliche Problem an der Sache ist.
Die Frage ist jetzt doch, wie man eine mehrstrahlige WaRa möglichst exakt und unkompliziert
simulieren kann.
Da ist sicher das Improtieren der Schubkurven in SpaceCAD der einfachere Weg.
Wie gehst du da genau vor und sind die Ergebnisse relativ exakt?

Gruß Robert